4.Основные узлы измерительной линии
Измерительная линия состоит из четырёх основных компонентов и её функциональная схема представлена на рис. 2 :
1 - щелевая секция;
2- индикаторное устройство с зондом и детектором;
3- механизм перемещения зонда вдоль щелевой секции;
4- отсчетное устройство положения зонда вдоль щелевой секции.
Щелевая секция является основным узлом измерительной линии, который во многом определяет всю конструкцию прибора. Конструкции ИЛ существенно отличаются друг от друга в зависимости от диапазона частот и типа передающего тракта. Так как волновое сопротивление щелевой секции ИЛ служит эталоном соответствующего передающего тракта, то желательно, чтобы геометрические размеры сечения ИЛ были идентичны сечению СВЧ тракта исследуемого устройства. Для волноводных ИЛ это требование выполнимо, а для коаксиальных ИЛ в большинстве случаев оно не выполнимо, потому что стандартные размеры сечения коаксиального тракта не позволяют создать надежную и устойчивую конструкцию. Поэтому для коаксиальных щелевых секций характерно наличие переходных устройств, позволяющих избежать резких нарушений однородности СВЧ тракта, при соединении элементов тракта с ИЛ (т.е. частей тракта с различным поперечным сечением). Щелевая секция ИЛ должна быть рассчитана таким образом, чтобы на рабочей частоте мог существовать только один тип колебаний (одна мода) – мода квазиТЕМ.
Необходимость обеспечить для коаксиальных линий на рабочих частотах распространение только волны типа ТЕМ ограничивает выбор соотношения центрального проводника и трубы в соответствии с условием:
0пр(D+d)/2,
где 0пр – предельная рабочая длина волны, D – диаметр трубы коаксиала, d - диаметр центрального проводника, - относительная диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей щелевую секцию. Требования к геометрическим размерам щелевой секции противоречивы. Для того, чтобы искажения вносимые щелью были минимальными, она должна быть по возможности узкой, а для обеспечения надежной жесткой конструкции цепи зонда расстояние между боковыми стенками не должно быть очень малым.
Высокие требования предъявляются к расположению щели вдоль линии. Для прямоугольных волноводов, в которых основным типом колебаний является волна типа ТЕ10, щель должна быть прорезана точно посередине широкой стенки волновода, так как даже небольшая асимметрия может вызвать значительное искажение картины поля в волноводе.
Для коаксиальной линии с распространяющейся волной квазиТЕМ, линии тока параллельны оси линии, и поэтому узкая щель, прорезанная вдоль оси линии, не будет заметно искажать картины поля, т.к. она (щель) не пересекает пути токов. Длина щели должна быть примерно равна длине волны на самой низкой рабочей частоте и, во всяком случае, не должна быть менее ¾ длины волны. Для коаксиальной ИЛ важна точная центровка центрального проводника. Недопустимы его радиальные смещения, изгибы, провисания.
4.1 Индикаторное устройство с зондом и детектором
Цепь индикаторного устройства начинается с зонда, реагирующего на поле внутри щелевой передающей секции. Во всех распространенных измерительных линиях используется зонд емкостного типа в виде штыря, реагирующего на электрическое поле. Применение зонда емкостного типа обусловлено его существенными преимуществами перед зондами других типов (реакция только на электрическое поле, относительно малые размеры по сравнению с длиной волны и т. д). Переменная э.д.с., наведенная на зонде, поступает на вход кристаллического детектора. Ток детектора (постоянная компонента тока либо компонента низкочастотной модуляции) измеряется индикаторным прибором (микроамперметром, измерительным усилителем и т.д.).
Для согласования выходного импеданса зонда с входом детектора необходима настройка контура зонда. Эта настройка осуществляется либо с использованием резонансных контуров на сосредоточенных элементах либо на элементах с распределенными параметрами – отрезках коаксиальных линий или объемных резонаторах. Это позволяет, обеспечивая максимальную передачу мощности от зонда в индикаторную цепь, значительно увеличить чувствительность ИЛ. Кроме того, настройка индикаторного устройства позволяет отстраиваться от помех, связанных с наличием гармонических составляющих в сигнале генератора, т.е. делает ИЛ селективной. Существенно, что при настройке контура зонда на резонансную частоту компенсируется реактивная составляющая входного импеданса зонда и, тем самым, исключается искажение картины распределения поля в ИЛ.
Зонд должен погружаться в ИЛ до определенного предела. Для волноводных линий прямоугольного сечения глубина погружения не должна превышать 10-15% размера высоты волновода. Более глубокое погружение зонда в волновод может существенно исказить картину распределения поля в ИЛ и привести к неверным результатам измерений. Важнейшим условием является обеспечение необходимой экранировки цепи зонда. Обычно зонд помещается в жесткий экран на всей высоте щели через изолирующую прокладку. Экран зонда должен иметь электрический контакт с внешней линией. Чаще всего между корпусом передающей щелевой секции и кареткой, на которой смонтировано индикаторное устройство с зондом, создается достаточно большая емкость. Очень важно, чтобы эта емкость в сочетании с другими элементами конструкции ИЛ не создавала резонансной цепи в рабочей полосе частот ИЛ. Так как в широкой полосе частот это требование обеспечить трудно, то в большинстве случаев дополнительно на внешней стороне экрана зонда располагают материал с большими потерями, например из спрессованого железного порошка. Это позволяет устранить нежелательные резонансы и дополнительно защищает контур от внешних помех. Детекторная камера обычно является составной частью конструкции индикаторного устройства. Размещаемый кристаллический детектор должен быть надежно экранирован от внешних помех. Для шунтирования высокочастотной составляющей тока в держателе детектора выполняется конструктивная емкость. Т.к. высокочастотная цепь детектора содержит определенную величину конструктивной емкости и индуктивности, элементы конструкции детекторной камеры выполняют таким образом, чтобы в рабочем диапазоне частот не возникало нежелательных паразитных резонансов.